摘要(yào):介紹采用(yòng)霍爾傳感(gan)器檢測浮(fu)子位移、利(lì)用低功耗(hao)單片👅機作(zuò)爲核心處(chu)理器的 金(jin)屬管浮子(zi)流量計 ，着(zhe)重介紹利(li)用霍爾傳(chuan)感器對浮(fu)子位移進(jìn)行檢測的(de)基本原理(lǐ)以及霍爾(er)傳感器輸(shū)出信号處(chù)理系統的(de)硬件、軟件(jiàn)設計，分析(xī)這種智能(neng)金屬管轉(zhuan)子流量計(ji) 的主要特(tè)點。
1引言
　　在(zai)工業生産(chǎn)和科研測(ce)量中，經常(chang)遇到小流(liú)量、低雷諾(nuò)♻️數的流量(liàng)⭕測量。 浮子(zǐ)流量計 由(you)于具有靈(ling)敏度高，測(ce)量範圍寬(kuan),壓力損失(shi)較小且恒(héng)定，測量介(jiè)質種類多(duō)，工作可靠(kào),維護簡便(bian),對儀表前(qian)直☔管段要(yào)求不高等(deng)優點,已被(bèi)廣泛應用(yong)。
　　浮子流量(liàng)計的浮子(zǐ)位移與流(liú)量之間存(cun)在明确對(dui)應的函數(shù)關系，測出(chū)浮子位移(yí)即可确定(dìng)流量大小(xiao)。金屬🐉管浮(fu)子流量計(jì)(以下簡稱(chēng)流量計)可(ke)以連續測(ce)量封閉管(guan)道内液體(ti)、氣體或蒸(zheng)💃🏻汽的流㊙️量(liàng),既能就地(dì)指示，又能(néng)遠傳信号(hào),可實現流(liu)🐪量測量值(zhí)的遠距離(li)顯示、記錄(lu)、計.算、調節(jiē)控制等功(gong)能,因此☔廣(guang)泛應用于(yú)石油、化工(gōng)、能源、冶金(jīn)、醫藥、輕工(gōng)、國防等部(bu)門]的👣流量(liang)檢測及過(guò)程控制。由(yóu)于流量計(ji)的浮子位(wèi)移不能直(zhi)接讀出,所(suo)以将磁鋼(gāng)封入浮子(zǐ)内，由設在(zai)轉換器内(nei)的磁耦合(hé)機構得到(dao)浮子位移(yi)，并由位移(yí)傳感器将(jiang)✏️與流量對(dui)應的浮😍子(zǐ)位移轉換(huan)成電信号(hao)，以實現遠(yuǎn)🌈傳輸出。目(mu)前常用的(de)位移傳感(gan)器有兩種(zhǒng):差功變壓(yā)器式傳感(gan)器和電容(rong)式角位移(yi)傳感器。但(dàn)是使用這(zhe)兩種位移(yí)傳感器要(yao)獲得與流(liu)量對應的(de)位移信号(hao),需要通過(guò)磁鋼耦合(hé)以及相應(ying)的四連杆(gǎn)、凸輪等機(jī)械機構進(jin)行非線性(xing)修正和傳(chuán)✔️動來實現(xian)，這就會造(zào)成轉換器(qì)傳動環節(jiē)多、結構複(fu)雜、存在摩(mo)🈲擦力、回差(chà)增大,從而(er)降低流量(liang)計的測量(liang)🛀🏻精度。因此(cǐ)無法實現(xiàn)流量計的(de)轉換器全(quan)電子化、小(xiǎo)塑化🌐以及(ji)在此基礎(chu)上的智能(neng)化。爲此，推(tui)出采用💯霍(huo)爾傳感器(qi)檢測浮子(zǐ)位移、利用(yòng)16位低功耗(hao)單片機作(zuo)爲核心處(chu)理器的智(zhì)能流量計(jì)。
2系統構成(cheng)原理
　　該流(liu)量計采用(yong)線性霍爾(ěr)傳感器檢(jiǎn)測浮子位(wèi)移,配合單(dān)片機應用(yòng)系統，完全(quán)去掉了磁(ci)鋼耦合、非(fei)線性修正(zheng)及傳動等(děng)機械機構(gòu)㊙️。其工作原(yuán)理如圖1所(suo)示。
 
　　當被測(ce)流體自下(xià)而上流過(guò)錐管時，浮(fu)子産生位(wèi)移，通過線(xiàn)性霍爾傳(chuan)感器的磁(cí)力線角度(du)就會發生(sheng)變化，從而(er)使霍爾傳(chuán)感器輸出(chū)相應電壓(ya)。該輸出電(dian)壓💯輸入到(dao)單片機應(ying)用系統進(jìn)行處理後(hou)，可輸出與(yu)流量對應(yīng)的标準電(diàn)流信号,也(ye)可通過标(biao)準通信接(jiē)口進行數(shù)據遠💰程交(jiao)換。
　　在流量(liàng)計的轉換(huan)器中對應(ying)浮子位移(yí)範圍中間(jian)位置🛀🏻處放(fàng)置兩個特(te)性一緻的(de)霍爾傳感(gan)器,兩個霍(huo)爾傳感器(qì)的🐕磁敏感(gǎn)面互成90*。霍(huò)爾傳感器(qì)的輸出電(diàn)壓爲:
E1=K1·I1·B1·sinθ
E2=K2·I2·B2·sin(90°-θ)
式中(zhōng):
K1、K2爲霍爾靈(ling)敏度系數(shu);
I1、I2爲霍爾元(yuan)件的激勵(li)電流;
B1、B2爲霍(huò)爾傳感器(qì)所處位置(zhì)的磁感應(yīng)強度;
θ爲磁(ci)力線相對(dui)于霍爾傳(chuán)感器的磁(ci)敏感面的(de)傾斜角。
　　因(yīn)爲兩個霍(huò)爾傳感器(qì)選用特性(xìng)一緻的同(tong)--型号霍🌏 爾(er)傳💘感器,采(cai)用同一激(jī)勵電流,處(chu)于同一-高(gao)度位置,所(suo)以K1=K2,I1=l2,B1=B2。因此可(ke)得:
E1/E2=sinθ/sin(90°-θ)
=sinθ/cosθ=tgθ
θ=arctg(E1/E2)
　　可見，由(yóu)E1、E2可求出磁(cí)力線的傾(qing)斜角。
　　由圖(tu)1可見，随着(zhe)浮子上升(sheng),通過霍爾(er)傳感器的(de)磁力線的(de)角度順時(shi)針變化，因(yin)此求出傾(qing)斜角0就可(ke)以得出浮(fu)子的位移(yí)🌈。
3單片機應(yīng)用系統硬(ying)件設計
 
　　單(dān)片機應用(yòng)系統的原(yuan)理框圖如(rú)圖2所示。系(xi)統控制器(qi)爲一✍️片MSP430F149單(dān)片機。MSP430F149的主(zhǔ)要特性與(yu)功能如下(xia):
(1)超低電流(liu)消耗:具有(you)CPUOFF和OSCOFF模式，可(kě)在電壓降(jiang)至1.8V情況下(xià)工作。
(2)基礎(chǔ)時鍾模塊(kuai):包括1個數(shu)控振蕩器(qi)(DCO)和2個晶體(ti)振蕩器。
(3)系(xi)統内置模(mo)塊:LCD驅動器(qi)、A/D轉換器、I/O口(kou)、USART串口、看門(men)狗、定時❓器(qì)、硬件乘法(fa)😍器、模拟比(bi)較器、EPROM等。
(4)16位(wèi)RISC結構，125as指令(ling)周期，等待(dài)方式進行(hang)喚醒的時(shí)間爲6Ixs.
(5)軟件(jiàn)可在RAM中運(yun)行。程序可(ke)通過UART或測(ce)試引腳裝(zhuang)入RAM，并能✊在(zai)實時💃🏻條件(jian)下運行。可(ke)降低試驗(yàn)和調試的(de)開銷。
(6)儀3種(zhong)指令格式(shì)，全部爲正(zhèng)交結構，簡(jian)化了程序(xù)的開發。ROM讀(du)㊙️取、RAM存取、數(shu)據處理、1/O及(jí)其他外圍(wéi)操作都使(shǐ)用公共指(zhi)📐令，無特殊(shū)指令。
(7)系統(tong)工作穩定(dìng)。上電複位(wèi)後，首先由(you)DCOCLK啓動CPU,以保(bao)證程💰序📐從(cong)正确的位(wei)置開始執(zhí)行，保證晶(jīng)體振蕩器(qi)有足夠的(de)起振及穩(wen)定時間。如(ru)果晶體振(zhen)蕩器在用(yong)作CPU時鍾MCLK時(shí)發生故障(zhàng),DCO會自動🔞啓(qǐ)動，以保證(zhèng)系統正常(chang)工作;如果(guo)程序💁跑飛(fēi)，看門🥰狗可(ke)将其複位(wei)。
(8)具有高級(ji)語言編程(cheng)能力,已開(kai)發了C-編譯(yì)器，支持JTAG仿(páng)真。
　　線性霍(huo)爾傳感器(qì)将浮子位(wèi)移轉換成(chéng)電壓信号(hao),經放大器(qi)放大後，由(you)16位MCU進行運(yùn)算處理和(he)非線性修(xiū)正後求得(de)流㊙️量值，一(yī)方♊面送LCD顯(xiǎn)示器顯示(shi)，另一方面(mian)送入DAC轉換(huàn)成模拟量(liang)，再經輸出(chū)轉換電路(lù)轉換成标(biāo)準☁️電流信(xin)号輸出。另(ling)外👅，還可通(tōng)過串行通(tong)信接口RS485與(yǔ)上:位機進(jin)行數⛷️據交(jiāo)換。
4軟件設(shè)計
　　軟件的(de)主流程圖(tu)如圖3所示(shi)。單片機在(zai)上電和複(fu)位👈的時候(hòu)，先要執行(háng)初始化程(cheng)序。然後，依(yi)次判斷功(gōng)能㊙️模塊的(de)标志位，當(dang)标志位有(you)效時，執行(háng)該功能模(mo)塊的程序(xù)，如标志位(wei)無效，則跳(tiao)過向下執(zhí)行。當程序(xu)執行到最(zui)後，再循環(huan)返回到初(chū)始化之後(hòu)。
 
　　标準電流(liú)輸出模塊(kuai)和RS485串行通(tong)信模塊标(biāo)志位是由(you)掃描撥碼(ma)💋開關部分(fen)所決定的(de);數據存儲(chǔ)部分通過(guo)不斷地讀(dú)取時鍾芯(xīn)片DS1307來⚽判斷(duan)是否到了(le)預先設定(ding)的存儲✂️時(shi)間，到存儲(chǔ)時間後進(jìn)入數據存(cun)儲子程序(xù)🥵。RS485通信實現(xiàn)🔴了數據的(de)遠程傳輸(shū)，人們不必(bì)直接到現(xiàn)場去查看(kàn)各種儀表(biao)的參數值(zhí),通過觀看(kàn)通訊界面(mian)即可獲得(de)當前🍓和曆(li)史數據。
5結(jie)束語.
　　由于(yú)采用霍爾(ěr)傳感器進(jìn)行位移檢(jiǎn)測，使流量(liàng)計的轉🌈換(huàn)器不需要(yao)任何可動(dòng)的機械零(ling)件,實現了(le)全電🔞子化(hua)和小🙇‍♀️型化(huà)，大大降低(di)了回差;采(cai)用16位單片(piàn)機進行線(xian)性修正和(he)運算,可使(shi)流量計的(de)流量指示(shi)精度由2.0級(jí)提高到1.0級(ji)。
由以上分(fen)析可見，由(yóu)于采用霍(huo)爾傳感器(qi)和16位單片(piàn)機，使流量(liàng)計實現了(le)小型化、數(shu)字化和智(zhi)能化,提高(gao)了流量計(ji)的精度,增(zeng)加了流量(liang)計的功能(neng)，并使得開(kai)發現場總(zong)線型的流(liú)量計成爲(wei)可能。

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